Aspects globaux et locaux de la mise en oeuvre de la lubrification fluide en ambiance spatiale
Institution:
Lyon, INSADisciplines:
Directors:
Abstract EN:
Fluid lubrication is applied for space applications since the sixties. Physico-chemical and rheological properties of lubricants are adapted to such a severe environment. Nevertheless, several aspects have to get clear before a safer use of this lubrication technique. General first ones deal with cleaning procedures of metallic parts and with tribological and rheological behaviour of oils used for these extreme applications. Due to the environment (ultrahigh vacuum,. . . ), oil spreading, and the absence of maintenance, oil losses must be necessarily compensated. Techniques to continuously feed and to maintain enough lubricant to ensure long lifetime mission are employed in ball-bearings. Cleaning procedure has four objectives. They include the removal of contaminants harmful for fluid lubrication, a reproducible efficiency, continuity of the use of solvents and the respect of legislation. The combination of an alkaline solution and an azeotrope of hydrofluorocarbon-dichloroethylene allows to reach an acceptable contamination level and a good wettability of stainless steel. Numerous satellite mechanisms run at low speed. The most common lubrication regimes are so elastohydrodynamic and mixed. Two lubricants for aerospace applications have shown different behaviours. A linear perfluoropolyalkylether can create an elastohydrodynamic film, even at very low speed.
Abstract FR:
La lubrification fluide est appliquée dans le domaine spatial depuis les années soixante. Les huiles et graisses utilisées possèdent des caractéristiques physico-chimiques et rhéologiques adaptées à cet environnement sévère. Néanmoins, d'autres aspects sont à éclaircir avant une mise en oeuvre plus sûre. Ils concernent d'abord le nettoyage des organes métalliques et le comportement tribologique et rhéologique des huiles les plus utilisées pour ces applications extrêmes. D'autre part, une compensation des pertes en huile, liées à l'environnement, à leur forte mouillabilité et à l'absence de maintenance est également nécessaire. Des techniques de maintien et d'apport continu de lubrifiant sont donc employées dans les roulements pour garantir la mission du satellite. La préparation des surfaces pour la lubrification fluide a quatre objectifs. Ce sont : éliminer la contamination qui lui est préjudiciable, obtenir un état de surface reproductible, continuer un nettoyage par solvants et respecter de la législation. La combinaison d'une solution alcaline et d'un azéotrope hydrofluorocarbone-dichloroéthylène a permis de parvenir à une contamination négligeable et à une bonne mouillabilité de l'acier. En orbite, bon nombre de mécanismes évoluent à des vitesses faibles. La lubrification en régimes élastohydrodynamique ou mixte est alors la plus courante. Deux lubrifiants pour des applications spatiales testés ont montré des comportements différents. Un perfluoropolyalkyléther linéaire forme un film élastohydrodynamique même aux très faibles vitesses. Il est cependant non newtonien aux cisaillements élevés (> 10 puissance 5 s-1). Le cyclopentane ramifié demeure newtonien mais le film se rompt en dessous de 10 nm. Des revêtements anti-migration de très faible tension de surface maintiennent les fluides dans les zones tribologiques utiles (pistes de roulement,. . . ). On montre qu'une réaction de solubilisation survient néanmoins entre les deux matériaux lorsque le lubrifiant possède une structure chimique proche de celle du solvant du revêtement. Cette réaction entraîne une diminution du pouvoir perlant du film anti-migration. Une autre solution d'apport de fluide repose sur des structures poreuses imprégnées d'huile. Les phénomènes thermocapillaires n'ont pas été capables d'extraire une quantité significative de lubrifiant. Seule la centrifugation y parvient au-delà d'un seuil de vitesse. Un modèle analytique a été proposé. Le seuil calculé, fonction des caractéristiques du milieu poreux et du lubrifiant, est en bon accord avec les résultats expérimentaux. Enfin, une approche numérique prospective montre une circulation de fluide entre une cage poreuse et les éléments roulants. Cet échange, analogue à celui présent dans les paliers poreux, permet de renouveler le fluide sous l'action de gradients de pression et pourrait inciter à l'utilisation de telles cages. Ces études contribuent à la mise en oeuvre de la lubrification fluide sur des mécanismes pour ambiance spatiale. La suite à donner concerne l'évaluation combinée des différentes solutions envisagées dans notre travail. L'objectif sera de déterminer celles conduisant au meilleur résultat (couple résistant, bruit, durée de vie) et de statuer sur l'efficacité effective des cages poreuses et des revêtemnts anti-migration.